1. Lanzamiento de Cohetes de Agua en la ESO.
Lanzamiento de Cohetes de Agua en la ESO
Autor: Francisco Manuel Reina Sánchez Ingeniero Técnico Industrial, Profesor de
Tecnologías.
Palabras clave: Motor, cohete, agua, experimento, válvula
Resumen: Un gas a presión se expande, mueve un émbolo, que mueve una biela y al
final una rueda. Eso es muy difícil verlo. Con tres botellas de agua, unas cámaras de
bicicletas rotas, una bomba de inflar ruedas y unos cubos de agua se puede hacer que
el alumnado vea que los gases a presión mueven cosas. Y toda la física, matemática y
tecnología que hay detrás de ello.
Introducción:
Dentro de los contenidos de la materia de Tecnologias de 3º de ESO se encuentran los
contenidos referidos a máquinas térmicas. Dado que la experimentación con gasolina
u otros combustibles la considero peligrosa continuación expondremos la experiencia
de la fuerza de expansión de gases con agua.
Materiales necesarios.
¡
Los materiales necesarios para este experimento son:
1.Botellas de agua de PET, con sus tapones, de varios tamaños, preferentemente de
1,5 litros y 5 litros. Se les pide a los alumnos que traigan de sus casas, para tener
varias de reserva ya que puede que alguna de las botellas acabe colgada de algunas
de las ramas de los árboles del centro.
2.Válvulas de bicicleta, dan muy buen resultado las válvulas de moto tras recortarlas
de la cámara. Las tiendas de bicicletas suelen tener algunas reventadas que podemos
aprovechar.
3.Una bomba de aire manual con varias boquillas para adaptarlas a las distintas
vávulas.
4.Agua.
5.Una libreta y bolígrafo para anotar las distancias alcanzadas en función del aire
introducido y el agua introducida.
6.Un juego de medidas de volumen, para medir el agua y un embudo.
7.Cinta métrica, para medir la distancia alcanzada. Alternativamente se puede balizar
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el patio, con líneas de tiza de colores.
8.Medios de grabación. Se puede usar la cámara digital del instituto. Los alumnos
tienen cámaras digitales, con lo que que mientras unos tiran el cohete, otros miden y
los demás graban. Luego se puede montar todo en la sala de ordenadores. Esto tiene
el problema que habría que pedir autorización a los padres si los alumnos salen
reconocibles.
Ilustración 1: Válvula de bicicleta insertada en el tapón de la botella de agua de 5 litros.
Si bien el conjunto de arandela, rosca y tuerca parece que asegura estanqueidad, en
posteriores versiones usando válvulas de moto con parte de la cámara dieron mejores
resultados. Se recomiendan tapones de plástico blando.
Temporalización
Dado el peligro que los alumnos se mojen, lo mejor es hacer el experimento en la
última hora de clase en la última semana de junio, ya que el calor secará rapidamente
la ropa y evitaremos enfriamientos.
Para ilustrar los crecimientos geométricos y volumétricos haremos el mismo
experimento con una botella de l,5 litros y otra de 5 litros. Para futuras experiencias se
plantea la posibilidad de volúmenes mayores, como los 8 litros o los 25 litros de la
botella de la fuente de agua de la sala de profesores. La principal limitación de esta
última es que no dispones de tapón de rosca , lo que nos obligaría a adaptarle uno, o
taparle la boca y ponerle un grifo con mecanismo de esfera de forma que permita una
salida recta del agua. Esta última solución nos incrementaría coste y peso, pero nos
facilitaría la apertura simultanea de varias botellas para lograr un mayor empuje.
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Precauciones
El experimento ha de realizarse en el área más despejada del centro, que
normalmente son las canchas de deportes, con lo que habrá que contar con el
departamento de Educación Física para usar las instalaciones. Hay que evitar alcanzar
edificios, en concreto las ventanas, salir de los límites del centro, con especial atención
a los tendidos eléctricos.
Dado que el cierre es el propio tapón de rosca de la botella, la endeblez de este cierre
nos dará la seguridad de que nunca alcanzaremos presiones peligrosas,ya que antes
saltará el tapón y como mucho mojará a los que estén frente al tapón, por ello
desaconsejo las botellas de refresco, ya que si bien el cierre es mejor, eso hace que
las presiones que se puedan alcanzar sean mayores.
El síntoma previo a que se alcanza la presión máxima es que a la botella le han
desaparecido toda clase de arrugas.
Realización del Experimento
Para proteger la intimidad de los alumnos , se uso para grabar el experimento un
móvil, a tal distancia y a una resolución de los fotogramas del móvil es tan baja (192 x
144 Pixels) que no permite identificar a nadie.
Ilustración 2: Distribución de los alumnos para el
lanzamiento. Uno bombea el aire, otro sostiene la
botella y el tercero gira el tapón para abrir la botella
y que el flujo de agua impulse la botella.
Se le hará observar a los alumnos que el volumen de
las burbujas va descendiendo por efecto de la mayor
presión, los conductos también se calientan.
Ilustración 3: Cuando se abre la botella las
salpicaduras son inevitables. Dado que que eran las
14:00 y la temperatura superaba los 35 grados eso
no era un problema.
Alternativa de propulsión por reacciones químicas.
En Internet se pueden encontrar experimentos similares con una botella de Coca-Cola
y unos caramelos de la marca “Mentos”. Dado que el espacio más amplio de los
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Ilustración 4: Sólo la filmación nos permite apreciar el momento del lanzamiento.
La grabación es a 29 fps luego teniendo en cuenta que la estatura media del
alumnado era de 160 cm podemos calcular aceleración y velocidad del la botella,
la mancha blanca del borde superior.
Ilustración 5: Uno de los efectos que más llamo la atención a los alumnos es que el
agua seguía subiendo, a pesar de haber abandonado la botella. La impulsión por el
aire a presión se produce en el primer fotograma, es cuando el agua es impulsada
realmente. El resto del agua, que no le da tiempo a salir, sale principalmente por
acción de la gravedad, pero al partir de un objeto en movimiento, no cae si no que
sigue subiendo con la velocidad inicial de la botella. Eso le da un impulso adicional a
la botella. Estos efectos inesperados son los que obligan a los periodos de pruebas en
los dispositivos tecnológicos.
centros suele ser las canchas deportivas, desaconsejo esta opción ya que la pista se
llenara de Coca-Cola que al secarse dejara un residuo de azúcar muy pegajoso y
difícil de eliminar.
Otros métodos son usar una pastilla efervescente, Aspirina o sales de fruta por
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ejemplo, o vinagre con bicarbonato sódico. El principal inconveniente es que se basan
en fundas de película fotográfica de 35 mm y eso ya es difícil de encontrar. Habría que
buscar alternativas en otros envases. Y por supuesto el olor y daño sobre la ropa que
puede hacer el vinagre.
Aspectos del experimento dignos análisis
•Ángulo de lanzamiento de la botella en relación a la altura alcanzada y la distancia
entre el punto de lanzamiento y aterrizaje. Dado que el lanzamiento se hace de forma
totalmente manual los ángulos serán aproximados, pero en la hora que da la
experiencia da tiempo ha realizar lanzamientos con una inclinación de 30º, 45º, 60º y
90º. Un cartabón servirá de medidor de ángulos aproximado.
•Distancia y altura alcanzadas en función del volumen de la botella y el volumen de
agua cargado. La altura se puede hacer por análisis de los fotogramas de las
grabaciones, poniendo un metro patrón en el punto de lanzamiento. Se pueden crear
estupendos estudios de perspectiva cónica a partir de estas fotos. La medida de la
distancia se realiza por parte de un equipo de medida que señala el impacto en la
pista. De esta manera se logra que todo el grupo participe de forma activa.
•Estudio del principio de acción y reacción, y de la cantidad de movimiento de los
objetos. Para ello resulta de enorme utilidad el Curso Interactivo de Física en Internet
por Ángel Franco García, de la Universidad del País Vasco. Un estudio riguroso del
fenómeno supondría hacer un análisis del flujo del agua que sale en función de la
presión del aire que la empuja, e incluso de la energía que acumula la botella al
deformarse ante la presión. Las herramientas matemáticas necesarias para éste
estudio superan los contenidos de ESO, pero se puede hacer un estudio aproximado y
extender la experiencia a los cursos de Bachillerato.
Para Saber más
Curso Interactivo de Física en Internet por Ángel Franco García
Universidad del País Vasco
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/cohete.htm
The Water Rocket Achievement World Record Association
Asociación para lograr el record mundial de altura con un cohete de agua.
http://wra2.org/
Los Cohetes de Agua (En francés)
http://tpe-les-fusees-a-eau.servhome.org/
Vídeos de lanzamientos de cohetes de coca-cola y mentos.
http://www.youtube.com/watch?v=22cfLVtUWn8&feature=related
http://cokeandmentos.net/blog/
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6. Lanzamiento de Cohetes de Agua en la ESO.
Cohetes Fáciles, publicado en Internet por el CSIC
http://www.csic.es/unawe/Actividades/COHETES%20FACILES%20REVISADO.pdf
Cohetes de aspirina y bicarbonato, actividades educativas de la NASA, en español.
http://ksnnsp.larc.nasa.gov/21Century/pdf/p4_student.pdf
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